.

Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu
phản xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của
rađa cảnh giới phòng không
Chuyên ngành: Kỹ thuật rađa - dẫn đờng
Mã số: 62.52.72.01
Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật
Hà Nội - 2006
Đại học Quốc gia Hà nội
Ngời phản biện 2: PGS - TSKH. Nguyễn Hồng Vũ
Cục Tác chiến điện tử - Bộ Quốc phòng
Ngời phản biện 3: GS - TS. Nguyễn Bình
Học viện Công nghệ Bu chính Viễn thông

Luận án đợc bảo vệ trớc hội đồng chấm luận án nhà nớc
họp tại Học viện KTQS - Nghĩa đô - Từ liêm - Hà nội.
Vào hồi: giờ ngày tháng năm 2006 Có thể tìm hiểu luận án tại: Th viện Học viện KTQS
Th viện Quốc gia 1. Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Huy Hoàng: Về các dấu hiệu nhận
dạng mục tiêu bay trong kỹ thuật rađa. Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị -
TCKT - Bộ Quốc phòng, số 18 (03/ 2002).
2. Phạm Văn Thuận, Nguyễn Huy Hoàng: Tạo chân dung phơng vị
mục tiêu bằng phơng pháp tổng hợp ngợc mặt mở anten có hội tụ
toàn phần. Tạp chí Kỹ thuật & Trang bị - TCKT - Bộ Quốc phòng, số
50 (11/ 2004).
3. Nguyễn Phùng Bảo, Nguyễn Hoàng Nguyên, Phạm Thanh Giang,
Nguyễn Huy Hoàng: Xây dựng mô hình thống kê cho hệ thống nhận

này phải dựa trên các dấu hiệu tín hiệu mà chúng đợc hình thành trên cơ sở sự
khác nhau của các tham số trong tín hiệu phản xạ từ mục tiêu bay. Vì các lý do
nh vậy, việc chọn đề tài Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản
xạ trong nhận dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không là có tính
cấp thiết và ý nghĩa thực tiễn trong việc đảm bảo, nâng cao khả năng chiến đấu
của các ĐRĐCGPK, đáp ứng yêu cầu tác chiến trong chiến tranh hiện đại.
2. Mục đích nghiên cứu của đề tài
Tổng hợp tài liệu, tóm lợc có hệ thống các vấn đề cần phải giải quyết của
bài toán nhận dạng mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK. Nghiên cứu về chân
dung phổ tín hiệu phản xạ (chân dung phổ), lựa chọn các dấu hiệu nhận dạng và
phân lớp các mục tiêu bay, tạo chân dung mẫu và qui chuẩn chân dung, xây
dựng thuật toán nhận dạng theo chân dung phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế
quay để tạo cơ sở và tiền đề cho việc xây dựng hệ thống nhận dạng (HTND)
mục tiêu bay trong các ĐRĐCGPK.
3. Đối tợng, phạm vi nghiên cứu
Các mục tiêu bay mà chúng là đối tợng quan sát của các ĐRĐCGPK.
Thiết lập và giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa
trên dấu hiệu phổ điều chế quay với 4 lớp mục tiêu bay bao gồm 9 kiểu loại mục
tiêu (AGLCM, GLCM, B52, B1B, F15, TU16, TORNADO, AN26, AH64).
4. Phơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kiểm chứng, đánh giá kết quả bằng mô
phỏng. Luận án sử dụng phơng pháp nghiên cứu tổng hợp trên cơ sở lý thuyết
quyết định và mô hình hóa thông kê, lý thuyết rađa và các phơng pháp thống
kê toán học để thiết lập, giải quyết bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân
dung phổ trong các ĐRĐCGPK và thực hiện mô phỏng trên máy tính điện tử để
kiểm chứng, đánh giá các kết quả đã đạt đợc từ nghiên cứu lý thuyết.
5. Những đóng góp mới của luận án
- Nghiên cứu và ứng dụng phơng pháp các thành phần đơn giản để khảo
sát các mục tiêu bay phức tạp, hình thành đợc qui trình và các công thức tính
2

lập nên một không gian dấu hiệu nhận
dạng chiều
[
N
]
12
, , ,
N


, trong đó mỗi lớp hay mỗi loại mục tiêu riêng biệt
đợc biểu diễn bằng một véc tơ chiều mà ta gọi là chân dung rađa (CDRĐ)
của mục tiêu. Bài toán nhận dạng mục tiêu rađa phát biểu nh sau:
N
Giả sử trong không gian dấu hiệu nhận dạng
[
]
12
, , ,
N


, các lớp mục tiêu
mẫu đợc mô tả bằng các CDRĐ chiều N
(
)
12
, , , , 1,
iN
Ci

i
C
N


theo một qui
tắc (thuật toán) nhận dạng thích hợp.
Nh vậy quá trình nhận dạng mục tiêu rađa phải giải quyết các nhiệm vụ
sau: Thiết lập các lớp mục tiêu và chân dung mẫu
(
)
12
, , , , 1,
iN
Ci

= M; Xây dựng
thiết bị đo để tạo CDRĐ của mục tiêu
(
)
12
, , ,
N
T


; Xây dựng các thuật toán
nhận dạng; Đánh giá tính hợp lý và hiệu quả của việc giải quyết các nhiệm vụ
kể trên bằng các chỉ tiêu chất lợng - giá thành đặt ra cho HTND đợc thiết kế.
Thiết lập các lớp mục tiêu mẫu thực chất là nhiệm vụ phân lớp mục tiêu. Đây

khi xây dựng thiết bị tạo CDRĐ phải dựa trên cơ sở nghiên cứu kỹ các đặc trng
của tín hiệu thăm dò và tính chất của các loại mục tiêu, từ đó chọn dạng tín hiệu
thăm dò thích hợp sao cho các dấu hiệu cần đo bộc lộ rõ nhất và dễ đánh giá nhất.
Cuối cùng là vấn đề xây dựng các thuật toán nhận dạng mục tiêu. Đây thực
chất là việc phân tích các qui tắc chọn quyết định để đa ra các lựa chọn quyết
định tối u theo một tiêu chuẩn nào đó. Thực tế có nhiều loại thuật toán nhận
dạng khác nhau đợc sử dụng, việc lựa chọn thuật toán nào tùy thuộc vào các
điều kiện bất định tiên nghiệm, các dấu hiệu nhận dạng đợc sử dụng, điều kiện
làm việc của HTND v.v nhằm đạt đợc xác suất nhận dạng đúng cao nhất.
1.2. Các cơ sở nhận dạng mục tiêu rađa
Phần này trình bày cơ sở giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa, các cơ sở
nhận dạng dựa trên dấu hiệu quĩ đạo và các dấu hiệu tín hiệu. Các dấu hiệu tín
hiệu cụ thể chính là các CDRĐ một chiều, bao gồm: Chân dung công suất, chân
dung thăng giáng, chân dung tơng quan - tần số, chân dung cộng hởng - tần
số, chân dung phân cực, chân dung cự li, hình ảnh rađa, chân dung phổ. Qua đó
rút ra kết luận: Khi xây dựng HTND cho các ĐRĐCGPK thế hệ cũ thì hợp lý và
khả thi hơn cả là sử dụng chân dung phổ. Với chân dung phổ, yêu cầu đặt ra với
đài rađa là phải có khả năng phân biệt rất cao theo tần số, yêu cầu này hoàn toàn
đợc đáp ứng bằng cách sử dụng các bộ lọc số dải hẹp chất lợng cao và khi sử
dụng chân dung phổ thì lợng thông tin cần thiết cho việc nhận dạng thờng rõ
nét hơn nếu chúng ta sử dụng tín hiệu thăm dò dải hẹp - điều này rất phù hợp
với các dạng tín hiệu thăm dò đợc sử dụng phổ biến trong các ĐRĐCGPK thế
hệ cũ hiện có ở Việt nam.
1.3. Qui tắc, thuật toán giải bài toán nhận dạng mục tiêu rađa
1.3.1. Thuật toán nhận dạng mục tiêu ra đa
Với các mục tiêu bay đợc quan sát bởi các ĐRĐCGPK, thuật toán nhận
dạng đợc xây dựng theo quan điểm thống kê do tính ngẫu nhiên của tín hiệu
phản xạ, của nhiễu cũng nh các dấu hiệu nhận dạng thu nhận đợc. Bài toán
nhận dạng là bài toán kiểm định giả thiết thống kê, thực hiện chọn 1 trong
M

kk ll
CP CP l kl M

= thì
*
k
*
A
A
=
. (1.14)
Trong đó: ,1,
k
Ck M= - Các hệ số Bayes.
(
)
,1,
k
Pk

=M - Mật độ xác suất của
CDRĐ

của mục tiêu lớp có tính đến ma trận TSITT k

.
1.3.2. Xử lý tối u chân dung rađa, sơ đồ khối tổng quát của HTND mục tiêu rađa
Giả thiết là sau khi xử lý sơ bộ tín hiệu thu đợc, CDRĐ của mục tiêu đợc
tách ra ở dạng biên độ phứcN
[

tính không xác định tiên nghiệm thì MTTQ của nhiễu
*
f
ff
R


= đợc thay thế
bằng đánh giá hợp lý cực đại của nó, còn MTTQ thành phần tín hiệu của chân
dung mục tiêu cần nhận dạng lớp , k
*
,1,
kkk
R
kM

== đợc xác định dựa trên ma
trận TSITT . Thực tế có thể coi mật độ xác suất của CDRĐ khi có mục tiêu
lớp ,

k
()
k
P

và nhiễu
()
f
P


*1
1
exp
2det
f
f
N
f
P
R
)
R




= (1.16)
Lúc này thuật toán (1.14) có thể biến đổi về dạng đơn giản hơn nh sau:
- Nếu
,
0, 1,
kl k l
Z
ZZ lk M== thì
*
k
AA
*
=
. (1.17)

R
d
R
+

=


k
C+
)
- Chuyển dịch của
kênh xử lý thứ ; k
(
,0 1 1k
f
kf
RRR

+
= - Ma trận xử lý chân dung của kênh xử lý thứ
5
k ; Sơ đồ khối tổng quát HTND mục tiêu rađa, thể hiện các thuật toán (1.17) và
(1.18) nh hình 1.8.

(
)
*
kkk kk
DP PAA== (1.19)
- Giá trị trung bình của xác suất nhận dạng sai:

(
*
1, 1,
11
11
MM
kkg
ggk ggk
FP P
MM
= =

==

)
kg
AA (1.21)
Trong đó:
()
*
,
kg k g
PPAAg= k - Xác suất nhận dạng sai khi không có mục tiêu lớp

2.3. Các phơng pháp tính toán xác định các ĐTTX từ các mục tiêu bay
2.3.1. Phơng pháp các thành phần đơn giản
Bản chất của phơng pháp này là mục tiêu bay đợc coi là một vật tán xạ
gồm nhiều thành phần đơn giản tơng tự, tối u hợp lại và việc tính toán các
ĐTTX trớc hết sẽ đợc thực hiện trên các thành phần đơn giản, sau đó tổng
hợp lại theo phơng trình tán xạ tổng quát. Theo phơng pháp này, các bộ phận
của mục tiêu nh thân, cánh, cụm đuôi, động cơ và một số thiết bị gắn bên
ngoài khác sẽ đợc thay thế bằng một tập hợp các mặt, khối đơn giản nh: Mặt
phẳng, mặt bậc hai, hình chóp, thanh mỏng, đĩa v.v và thực hiện tính toán các
ĐTTX cho các phần tử đó bằng phơng pháp vật lý - toán dựa trên việc giải các
phơng trình Maxwell. Các bộ phận khác phức tạp hơn nh buồng lái, cụm
anten, ống phụt động cơ v.v mà không thể mô tả chúng bằng các thành phần
đơn giản hoặc có thể mô tả đợc nhng phơng trình Maxwell mô tả quá trình
điện động trong chúng quá phức tạp, không giải đợc thì lấy kết quả từ thực
nghiệm. Phơng pháp các thành phần đơn giản có u điểm là cho phép giảm
đợc khối lợng tính toán mà vẫn đạt đợc độ chính xác cho phép khi tính toán
các ĐTTX và đặc biệt là rất thuận lợi cho việc mô phỏng hiện tợng tán xạ trên
máy tính điện tử nhng nó cũng có những hạn chế. Các hạn chế đó là nó chỉ cho
kết quả chính xác ở dải sóng và với các mục tiêu bay có hình dạng quá
phức tạp thì sẽ gặp khó khăn khi mô tả chúng bằng các thành phần đơn giản
cũng nh việc giải các phơng trình Maxwell là không thể thực hiện đợc do
tính phức tạp của chúng. Các phơng pháp khác đợc dùng để khắc phục các
hạn chế kể trên đã đợc liệt kê trong luận án, tuy nhiên chúng chỉ mang tính
chất tham khảo.
,dm cm
2.3.2. Các hệ tọa độ và các phép chuyển tọa độ sử dụng trong phơng pháp các
thành phần đơn giản
Phần này trình bày về các hệ tọa độ và các phép chuyển tọa độ sử dụng trong
phơng pháp các thành phần đơn giản. Các hệ tọa độ đợc sử dụng bao gồm: Hệ
tọa độ Đề các gắn với đài rađa (hệ tọa độ đài rađa) và hệ tọa độ cầu tơng ứng, hệ

=k
k


và K

là tổng số
các mặt nh vậy. Mỗi mặt nh vậy đợc xác định trong hệ tọa độ cục bộ
Oxyz



bởi các phơng trình và
()
0Fr

=
(
)
0
k
r


= . Phơng pháp xây dựng các mặt giới
hạn nh vậy dùng để tính toán và thiết kế các chơng trình mô phỏng về sau.
2.3.3.2. Phơng trình tán xạ tổng quát
Khi không tính đến khả năng phân biệt theo tọa độ góc của các bộ phận trên
mục tiêu và ảnh hởng của độ cong trái đất, không xem xét với tín hiệu dải siêu
rộng và các mục tiêu bay thấp thì phơng trình tán xạ tổng quát có dạng nh sau:

,
i
AR L i
0
t
p
và
0
p
p
-
Các véc tơ phân cực của anten thu và anten phát;
(
)
Ut- Giá trị đờng bao của tín
hiệu đầu ra bộ lọc kết hợp tại thời điểm ; t
i
t

- Khoảng thời gian giữ chậm ứng
với điểm chói thứ
i
;
f
- Tần số mang;
A
bi
Q - Hệ số hấp thụ sóng rađa của điểm
chói thứ
i



< 0, 0,1,2, , 1kK

=
.
2 - Kiểm tra hiện tợng che khuất:
Công việc này đợc thực hiện bằng cách chứng minh các đờng ngắm thẳng
từ đài rađa đến điểm tán xạ thứ
()
0
,
i
ir s r sR 0
=
=
không giao nhau với các phần
hữu hạn của các bề mặt thay thế xấp xỉ. Nếu có sự giao nhau, tức là điểm tán
xạ đang bị che khuất thì phơng trình sau sẽ có nghiệm thực dơng
s
:
(2.22)
()
[]
() ()
T
rs r sPrs C

= =
8

diag I


==;
I
- Ma trận đơn vị.
Với các đoạn thẳng tán xạ thứ
i
thì MTTXPC đợc tính theo công thức:

*T
iii
i
A
UMU= (2.27)
Trong đó:
(
,
ii
Mdiag


=

)
i
. Kí hiệu:
(
)
,diag a b - Ma trận đờng chéo.

NF . Trong đó là số cánh của hệ cánh quạt hay tua bin
động cơ và
N
q
F
là tần số quay. Với sự tán xạ độc lập trên mỗi cánh, giá trị tức
thời của tín hiệu tán xạ đợc xác định theo phơng trình sau:

()
{
}
1
0
0
1
.cos 2 sin 2
N
bq
qq
Et t ft C F t
NF NF





=


= + +

NF
2 - Với tín hiệu thăm dò hình sin có thời gian hữu hạn: Dao động hình sin bị
điều chế quay (3.1) đợc nhân với một tín hiệu thị tần
(
)
Ut có độ rộng hữu hạn .
Có thể coi trờng hợp này nh sự điều chế đối với mỗi hài của (3.1) theo hàm
0
T
(
)
Ut.
Các vạch phổ điều chế quay bị mở rộng ra một khoảng là
0
1 T
với điều kiện
0
1
q
TF

.
3 - Với tín hiệu thăm dò là chùm xung hình sin: Dao động hình sin bị điều
chế quay (3.1) đợc nhân với một tín hiệu thị tần là một chùm xung có tần số lặp
là
l
F
. Với độ rộng tín hiệu hữu hạn, thì phổ của tín hiệu về cơ bản giống nh
trờng hợp 2, các vạch phổ này bị mở rộng ra một khoảng
0

0k =
(
)
11122l
kF kN k N F
q
+
+ , chúng bị mở rộng ra một
khoảng
0
1 T . Các vạch phổ giống với trờng hợp tín hiệu có tần số lặp lớn.
3.1.3. Các yếu tố ảnh hởng đến hiện tợng điều chế quay xảy ra trên các mục
tiêu bay
Hiện tợng điều chế quay xảy ra trên mục tiêu bay phụ thuộc vào các yếu
tố sau: Dạng mục tiêu bay, dạng và tham số tín hiệu thăm dò (bớc sóng, tần số
lặp), vị trí không gian giữa mục tiêu bay và đài rađa (góc hớng), thời gian tích
lũy tơng can. Vấn đề này sẽ đợc xem xét ở mục 3.5.
3.2. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay của các động cơ phản lực
3.2.1. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay của các động cơ phản lực khi không
tính đến hiệu ứng che khuất và ảnh hởng của cửa khí
3.2.1.1. Hiện tợng tán xạ từ cánh đơn đứng im
Trong trờng hợp này, việc tính toán đợc thực hiện với giả thiết là không có
sự phản xạ qua lại nhiều lần nh trong ống dẫn sóng và
th
f
f
. Cánh thứ

,
0,1,2, , 1N

O

một góc bằng góc tấn
0

của cánh không
phụ thuộc vào

và quanh trục
mt
O

một góc bằng góc quay của cánh
10
2



= /
N
phụ thuộc vào

. Gốc của hệ tọa độ Oxyz


đợc xác định bởi véc
tơ bán kính
0000
T


T
T
TT
xyz
RRR H H



= (3.4)
Theo các định luật quang lý và vận dụng các kết quả ở chơng 2, ta xác
định đợc các phần tử trên đờng chéo của MTTXPC của cánh là:

()
22
000
22
24
exp
aRb
i
yzx
aRb
i
e R y R z R dydz









RR










=
(3.6)
3.2.1.2. Hiện tợng tán xạ từ các hệ thống quay một động cơ, một tầng cánh
Trờng hợp này giống nh trờng hợp các thanh phản xạ độc lập từ mỗi
cánh mà không tính đến sự che khuất lẫn nhau của chúng. Khi tính đến sự quay
của cánh thứ

thì ta phải dùng đến biểu thức góc quay của cánh trong hệ tọa độ
mục tiêu
O
mt

:
()
(
)
22 2


=








(3.8)
Trong đó:
()
0
2
T
mt en
RR


=+

(3.9)
với
mt
R
- Véc tơ bán kính của tọa độ mục tiêu trong hệ tọa độ đài rađa ;
en

-

zABz


== thứ i đợc thay thế bởi một tập các mặt
phẳng nhỏ có góc tấn khác nhau, ta có thể lấy tích phân (3.6) trong giới hạn
biến từ đến : z
1
L
2
L

()
(
)
()
()
2
0
1
0
04
0
sin 2
2
2
z
L
y
ii
x

1
04
2
z
L
i
x
L
eaRze








=
iR
dz


(3.14)
3.4. So sánh các phơng pháp thay thế cánh khác nhau khi mô phỏng hiện
tợng điều chế quay của động cơ phản lực và động cơ cánh quạt
Kết hợp với kết quả nghiên cứu của một số công trình khác đã công bố, luận
án khi mô phỏng hiện tợng điều chế quay thực hiện thay thế cánh theo hai cách:
1 - Tấm phẳng cho cánh của tua bin và bộ nén khí trong động cơ phản lực.
2 - Mặt xoắn cho cánh của hệ cánh quạt trong động cơ cánh quạt và trực thăng.
3.5. Mô phỏng hiện tợng điều chế quay với các mục tiêu bay thực tế. Đánh

qs
T
- Tín hiệu phản xạ lấy ở sau tách sóng pha và đa vào biến đổi FFT để lấy ra
12
chân dung phổ. Vận tốc Dopler coi nh đã đợc bù khử trớc đó. Số điểm FFT
thay đổi tùy theo điều kiện khảo sát.
3.5.2. Phổ điều chế quay của các lớp mục tiêu khác nhau
1 - Các ảnh phổ đều chứa các vạch phổ chính ứng với thành phần phản xạ từ
thân máy bay ở giữa cửa sổ tần số và các vạch phổ ứng với phổ điều chế quay ở
hai phía của nó. Khoảng cách giữa các vạch phổ đợc xác định bởi tần số cánh
. Sự thay đổi của số cánh và tần số quay sẽ dẫn đến sự khác nhau về
mật độ phổ điều chế quay do các loại động cơ khác nhau gây ra.
q
NF
N
q
F
2 - Phổ điều chế quay của máy bay động cơ phản lực (TU16) có các vạch phổ
tha nhất. Điều này là do tần số quay, số cánh của tua bin và bộ nén khí của động
cơ lớn. Tùy thuộc vào góc hớng mà các cánh của tua bin hay của bộ nén khí sẽ bị
rađa chiếu xạ nhiều hay ít, tuy nhiên trong trờng hợp tổng quát thì các ảnh phổ
chứa cả các thành phần tần số cánh chính của tua bin, của tầng thứ nhất và tầng thứ
hai ( và ) của bộ nén khí và cả các thành phần kết hợp của chúng.
1 q
NF
2 q
NF
3 - Phổ điều chế quay của máy bay động cơ cánh quạt (AN26) dày hơn so
với máy bay động cơ phản lực bởi vì động cơ của nó có ít cánh hơn, chiều dài
cánh lớn hơn và tốc độ quay thì nhỏ hơn so với máy bay động cơ phản lực. Các

Phổ điều chế quay của máy bay động cơ cánh quạt và trực thăng ít phụ
thuộc vào góc hớng. Phần này chỉ đa ra các nhận xét, đánh giá với máy bay
13
động cơ phản lực vì trờng hợp này ảnh hởng của góc hớng đến phổ điều chế
quay là đáng kể.
1 - Với máy bay động cơ phản lực (TU16) khi quan sát từ phía sau thì hiện
tợng điều chế quay đợc quyết định bởi các cánh của bộ nén khí, còn khi quan
sát từ phía trớc thì nó bị chi phối bởi các cánh của tua bin. Phổ điều chế quay
của tua bin khác với bộ nén khí ở chỗ là số vạch ít hơn. Điều này là do tua bin
có tần số cánh lớn hơn nhiều so với bộ nén khí. Mặt khác, vì số cánh của
tua bin lớn nên gây ra hiện tợng che khuất và khi đó ở một số dải góc hớng
gần thì hiện tợng điều chế quay xảy ra rất yếu và thậm chí là không có.
q
NF
0
90
2 - Hình dạng, độ rộng phổ điều chế quay thay đổi theo sự thay đổi của góc
hớng và góc tấn.
3 - Nhìn chung, hiện tợng điều chế quay tuân theo đúng qui luật rút ra từ
các nghiên cứu lí thuyết. Tuy nhiên, tại một số góc hớng nh đã nêu ở nhận xét
(1) xảy ra hiện tợng pha đinh do ảnh hởng của hiện tợng che khuất nên phổ
điều chế quay có những thay đổi đặc biệt. Vấn đề này cần phải đợc khảo sát kỹ
lỡng hơn và để có kết luận tin cậy cần phải dựa trên cơ sở thực nghiệm.
3.5.5. ảnh hởng của tần số lặp và thời gian tích lũy tơng can đến phổ điều chế quay
1 - Tần số lặp nhỏ sẽ làm cho cấu trúc vạch (vị trí và khoảng cách các vạch
phổ) của phổ điều chế quay bị sai lệch. Ta biết rằng ảnh phổ tuần hoàn theo chu kì
đúng bằng tần số lặp nên nếu tần số lặp nhỏ, sẽ có trờng hợp ảnh phổ nằm ra
ngoài cửa sổ tần số đang xét và các vạch phổ điều chế quay mà ta đang quan sát là
của chu kì khác tràn sang - đây là hiện tợng chồng phổ. Để tránh hiện tợng
chồng phổ thì tần số lặp phải thoả mãn điều kiện: >

quay với 3 loại máy bay, đại diện cho 3 lớp mục tiêu thực tế là: TU16 (lớp mục
tiêu mang động cơ phản lực), AN26 (lớp mục tiêu mang động cơ cánh quạt),
14
AH64 (lớp mục tiêu cánh quạt). Dựa trên kết quả mô phỏng kết hợp với các
phân tích định tính, luận án đã đa ra các nhận xét, đánh giá về đặc trng và sự
phụ thuộc của phổ điều chế quay vào các yếu tố nh: Dạng mục tiêu, tham số
của tín hiệu thăm dò (bớc sóng, tần số lặp), vị trí không gian của mục tiêu (góc
hớng), thời gian tích lũy tơng can. Các nhận xét, đánh giá này đặc biệt quan
trọng vì chúng chính là các căn cứ để lựa chọn dấu hiệu nhận dạng, phân lớp
mục tiêu khi xây dựng và đánh giá chất lợng của thuật toán nhận dạng mục
tiêu bay theo chân dung phổ ở chơng 4.
chơng 4. xây dựng thuật toán nhận dạng các mục tiêu
bay theo chân dung phổ
4.1. Xây dựng mô hình thống kê và lựa chọn dấu hiệu nhận dạng
4.1.1. Mô hình thống kê của chân dung phổ
Chân dung phổ đợc tạo ra dới dạng tập hợp các tín hiệu ngẫu nhiên trên
đầu ra các bộ lọc biến đổi Fourier nhanh (FFT) dải hẹp và đợc biểu diễn dới
dạng ma trận cột
[
]
,1,
n
nN

==. Trong đó, số phần tử
N
xác định bởi số điểm
FFT , mỗi phần tử
FFT
NN= ,1,

RR

== = với ,1,nm N= (4.2)
Khi chỉ có nhiễu tạp:

()
*2
,,,
,
,
2
f
fmnmfnf
mn
nf
RR

== = với ,1,nm N= (4.3)
Trong đó:
2
2
,
,
0,5
nf
nf

= ,
2
2

P



=


=


++



(4.4)
Trờng hợp khi chỉ có nhiễu tạp:

()
2
2
1
,,
1
exp
42
N
n
f
n
nf nf

Khi sử dụng các dấu hiệu phổ điều chế quay để nhận dạng mục tiêu bay, theo
15
các kết quả chơng 3, thông tin phân lớp thể hiện qua các yếu tố sau: Sự tồn tại
hoặc không tồn tại hiệu tợng điều chế quay, độ rộng phổ điều chế quay,
khoảng cách giữa các vạch phổ, hình dạng đờng bao của phổ, tỷ lệ giữa thành
phần phổ tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu và thành phần phổ điều chế quay.
Với các ĐRĐCGPK ta cần lu ý thêm một số yếu tố sau:
- Chu kỳ quan sát của đài rađa thờng là rất lớn ( 10T

s
=
hoặc tùy
theo chế độ quay của anten), nên chỉ có khả năng xử lý tín hiệu theo từng chu
kỳ quan sát.
20T

= s
- Thời gian quan sát trong mỗi chu kỳ hạn chế trong khoảng
(
)
100 200
qs
T=ms, tuy nhiên giá trị thời gian quan sát này đảm bảo độ phân giải
theo tần số
(
)
10 5
H
z đủ để phân biệt đa số các chủng loại động cơ và cánh quạt
khác nhau.

Lớp 4: Trực thăng (khoảng cách giữa các vạch phổ điều chế quay rất nhỏ,
thành phần phổ điều chế quay có giá trị khá lớn so với thành phần phổ tín hiệu
phản xạ từ thân mục tiêu).
4.2. Khảo sát và xây dựng tập chân dung mẫu cho các lớp mục tiêu bay
Mục tiêu: Xây dựng tập chân dung mẫu cho 4 lớp mục tiêu bay cần nhận dạng
đã nêu, mỗi lớp gồm một vài kiểu loại mục tiêu bay điển hình. Cụ thể: Lớp 1
(AGLCM, GLCM), lớp 2 (TU16, B52, F15, B1B, TORNADO), lớp 3 (AN26),
lớp 4 (AH64).
Điều kiện khảo sát: Thực hiện khảo sát ở đài rađa kết hợp với các tham số:
Bớc sóng 5cm

= , tín hiệu thăm dò là dẫy xung đơn đồng bộ với độ rộng
16
10
X
s


= , tần số lặp . Thời gian quan sát 800
l
F= Hz ms200
qs
T
=
(số xung đợc xử lý
trong mỗi chùm là 128). ở đây tần số Dopler coi nh đã đợc bù khử, bộ lọc
FFT ứng với tần số 0 nằm ở giữa với số thứ tự 264
pl FFT
NN
=

là:
50Hz
6,25
l FFT
FFN Hz= = . Khi đó các vạch phổ tơng ứng với thành phần tín hiệu
phản xạ từ thân mục tiêu tập trung chủ yếu trong khoảng:

p
ltg pltg
N
NnN N

+

1
4
2
tg
tg
F
N round
F


=
=



(4.6)

:
p
ltg pltg
N
NnN N+. Chân dung mẫu của lớp 1 có dạng nh sau:
(4.7)
1
:1
1
0
FFT
n
n
For n N
RifnN
Rotherwi
=


=

=





R
R
K

1
pl tg
pl tg
FFT
M
i
nn
i
NN
pl i
iN N
FFT
npl
nplpltgpltg
nn
pl
For n N
M
P
For n N
RifnN
RifnNNNnNN
Rotherwise
P



=
+
=

Với hai lớp máy bay động cơ cánh quạt và trực thăng, phổ điều chế quay
có dạng gần nh liên tục nên có thể lấy chân dung mẫu dạng hình chữ nhật (trừ
vùng các vạch phổ tơng ứng với thành phần thân) với biên độ khác nhau cho
mỗi lớp. Kết quả khảo sát các dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng cho thấy, nên
lấy tỷ lệ giữa thành phần thân điều chế quay và thành phần thân cho máy bay
cách quạt cỡ còn của trực thăng cỡ với chú ý rằng,
các giá trị này có thể hiệu chỉnh theo kết quả mô phỏng với tham số chi tiết của
các loại mục tiêu trong từng lớp và kết quả thực nghiệm. Phơng pháp khảo sát
tỷ lệ phần thân và phần điều chế quay thực hiện bằng cách xác định khoảng biến
động của các tham số của phần thân và phần điều chế quay, thực hiện mô phỏng
rồi tính tỷ lệ giữa hai thành phần. Chân dung mẫu của lớp 3, lớp 4 có dạng nh sau:
3
0,15 0,20
pl
K =ữ
4
0,40 0,50
pl
K =ữ
(4.9)
()
()(
()
34
34
: 1
1
R0
R
FFT

ù
ù
ù
ợ
)
tg
4.3. Tổng hợp thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ
Thay giá trị các hàm mật độ phân bố xác suất
(
)
(
)
,
kf
PP


tơng ứng ở (4.4),
(4.5) vào (1.17) và thực hiện biến đổi, ta sẽ nhận đợc thuật toán nhận dạng mục
tiêu bay theo chân dung phổ nh sau: Nếu
(
)
1,M
kk
k
Z
argmax Z=
*
()
()

11k,o
f
kf
RRR

+
=- - Ma trận xử lý chân dung của kênh xử lý thứ k .
Trong (4.11) thì và
k
d
0k,
n,n
R
đợc xác định theo các công thức:

(
)
(
)
,0
,
22
22
,,
,, ,
1111
(1 )
22
21
k

=
- Tỷ số tín/tạp ứng với phần tử chân dung thứ của
mục tiêu lớp k .
n
Lu đồ thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung phổ dựa trên
dấu hiệu phổ điều chế quay ứng với thuật toán (4.10) có dạng nh hình 4.3. Các
bớc thực hiện cụ thể nh sau:
1 - Đọc thông tin về chế độ hoạt động của đài rađa nh: Các tham số của tín
hiệu thăm dò (độ rộng, chu kỳ lặp), các tham số về độ rộng cánh sóng và tốc độ
quét v.v Các tham số này sẽ thay đổi khi đài rađa thay đổi chế độ hoạt động và
chúng là các dữ liệu cần thiết để xác định thời gian quan sát, số xung trong
chùm, số điểm FFT v.v ở các bớc sau.
2 - Đọc thông tin về điều kiện quan sát: Điều kiện quan sát ở đây là điều kiện
thời tiết, mây, ma, tốc độ gió v.v Chúng đợc sử dụng để đánh giá mức độ thăng
giáng và xác định độ rộng phổ của thành phần tín hiệu phản xạ từ thân mục tiêu.
3 - Đọc (xác định) thông tin về vận tốc và quỹ đạo chuyển động của mục
tiêu: Các dữ liệu này cần thiết cho việc hiệu chỉnh tham số chân dung mẫu (vận
tốc và góc hớng). Việc hiệu chỉnh đợc thực hiện tinh hoặc thô tùy theo khả
năng khảo sát và mức độ chi tiết của các thông tin đầu vào. Trong một số trờng
hợp, có thể xác định thêm những thông tin cần thiết không lấy trực tiếp đợc từ
đài rađa. Riêng thông tin về cự ly còn sử dụng trực tiếp cho bớc 6 và 7.
4 - Phân tích sự tồn tại của chùm xung phản xạ và xác định tham số của chân
dung phổ - bớc này thực hiện các nhiệm vụ sau:
- Phát hiện chùm xung phản xạ và xác định cửa sổ cự ly, việc này có thể
thực hiện tại HTND hoặc theo thông tin có đợc từ đài rađa.
- Xác định số điểm FFT: Đợc lấy bằng số xung trong chùm làm tròn theo
luỹ thừa cơ số 2.
- Trên cơ sở độ rộng phổ thăng giáng cực đại của thành phần tín hiệu phản
xạ từ thân mục tiêu bay ta xác định
tg

lấy bình phơng biên độ
2
nn


= .
19

(
)
k
Rk1M=
f
R
(
)
k0
Rk1M=
(
)
k
dk1M=
(
)
k
Zk1M=

Hình 4.3 - Lu đồ thuật toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung
phổ dựa trên dấu hiệu phổ điều chế quay
7 - Thực hiện biến đổi FFT nhiễu tạp và lấy bình phơng biên độ: Để tạo chân

2
1
1
FFT
N
f
Trong đó:
fn
n
FFT
p
N

=

=
10 - Quy chuẩn MTTQ
f
R
theo công thức:

()( )
f
:1
R0
1
R
FFT
pl
npl

ù
ù
ù
ù
ơ
ù
ù
ù
ù
ù
ù
ù
ợ

(4.17)

11 - Thực hiện quy chuẩn chân dung của tín hiệu phản xạ theo công thức: 2
:1
0( )( )
1
pl
FFT
nplpltgpl
npl
n
n
N

ù
ù
ù
ù
ợ
h
h
x
h
K
tg
(4.18)
20
12 - Tính ma trận
0
;1,
k
R
kM= theo công thức (4.12).
13 - Tính ;1,
k
dk M= theo công thức (4.13).
14 - Tính ;1,
k
Z
kM= theo công thức (4.11).
15 - So sánh: Tìm kênh xử lý có tín hiệu cực đại
()
1
k

k
P
M
=

=
k
D (4.19)
Để xác định
k
D
cần phải chú ý là: Mỗi lớp mục tiêu có thể chứa rất nhiều
kiểu loại mục tiêu mà CDRĐ của chúng có những điểm khác nhau. Vì vậy khi
tính toán cần phải thực hiện với nhiều kiểu loại mục tiêu trong lớp rồi lấy trung
bình kết quả theo công thức:
1
1
k
N
k
k
D
N
k
D


=

= (4.20)

Mô phỏng quá trình tạo chân dung, đánh giá tham số tín hiệu và nhiễu, qui
chuẩn chân dung đợc thực hiện theo các giai đoạn: Đầu tiên là mô phỏng tín
hiệu phản xạ (theo phơng pháp các thành phần đơn giản ở chơng 2), thực hiện
FFT và đánh giá cờng độ tín hiệu phản xạ từ phần thân mục tiêu (thực chất là
xác định giá trị phơng sai ). Để tăng độ tin cậy của mô hình, giai đoạn này
đợc thực hiện với một số lợng thể hiện nhất định của tín hiệu phản xạ, ở đây
ta lấy số thể hiện . Tiếp theo là thực hiện tạo chân dung phổ ngẫu
nhiên trên cơ sở tham số tín hiệu đã mô phỏng ở trên. Ta có: .
2
n,k

50
50gG==
nn,fn
=+
,k
21
Phơng sai (công suất) của nhiễu tạp sẽ đợc tính toán tùy thuộc vào giá trị tỷ
số tín/tạp đã chọn theo công thức: /
2
n,f n,k
=
2

(4.21)
Véc tơ bình phơng biên độ phức của chân dung phổ 1
n
,n , N= sẽ đợc tạo
ngẫu nhiên theo luật phân bố nh sau:
2

k,c k
D1ifZargmaxZ==
k,c
D 0 otherwise=
for k 1 to 4=
C
kk,c
c1
1
DD
C
=
=



k
D


ii i
nn,fn,k

= +
2
i
nn

=
(

D
đợc xác định theo thuật toán: if1
k,c
D =
()
1
kl
Z
Z,l ,M
arg max
==
0
k,c
D = otherwise22
Lu đồ thuật toán mô phỏng để đánh giá chất lợng nhận dạng nh hình
4.6. Khi mô phỏng, ta sử dụng các điều kiện ban đầu nh sau: Tín hiệu thăm dò
là dãy xung đồng bộ với độ rộng và tần số lặp 10
x
s= 800
l
F
Hz= ; Tỷ số tín/tạp
10 20 27 30

,,,dB= ; Thời gian quan sát (tơng ứng với số xung đợc xử
lý trong chùm là 128) ; Mô phỏng đợc thực hiện ở thị tần (bỏ qua ảnh hởng
của các tuyến trớc) và tần số Dopler coi nh đã đợc bù trừ từ trớc; Tọa độ

k
D
0
90
k
D
0
3 - Xác suất nhận dạng đúng của lớp 2 khá thấp. ở đây có hai lý do : Một
mặt là do sự khác nhau về hình dạng, kích thớc và các đặc trng động học của
từng kiểu loại mục tiêu trong lớp nên sự thể hiện của hiện tợng điều chế quay và
dẫn tới phổ điều chế quay của chúng khác nhau. Mặt khác là do việc tạo chân
dung mẫu không sát với từng kiểu loại mục tiêu, chúng ta cần phải có các thông
2
D
23
tin chính xác và đầy đủ về hình dạng, kích thớc cũng nh các đặc trng động
học của từng kiểu loại mục tiêu và phải mô phỏng, thử nghiệm chi tiết hơn để
nâng cao tính chân thực của chân dung mẫu ứng với lớp mục tiêu này.
4 - Về ảnh hởng của tỷ số tín/tạp, kết quả mô phỏng với các giá trị tỷ số
tín/tạp khác nhau cho thấy: Khi tỷ số tín/tạp 20

dBÊ thì các xác suất nhận dạng
đúng giảm rõ rệt và giảm đáng kể (thậm chí là ở hầu hết các góc
hớng khi ), còn với các mục tiêu thuộc lớp 1 và lớp 2 thì ảnh hởng của
tỷ số tín/tạp là không nhiều do cấu trúc phổ điều chế quay của các lớp này là
phổ vạch khác với phổ nhiễu. Nhìn chung, để đảm bảo đợc các chỉ tiêu về xác
suất nhận dạng đúng của từng lớp mục tiêu và xác suất ra quyết định nhận
dạng đúng của toàn HTND thì giá trị tỷ số tín/tạp
4
D

D
n
P
Kết luận
Đề tài: Nghiên cứu ứng dụng chân dung phổ tín hiệu phản xạ trong nhận
dạng mục tiêu bay của rađa cảnh giới phòng không đạt đợc các kết quả nh sau:
1 - Trên cơ sở tổng hợp t liệu từ các công trình, kết quả nghiên cứu về lĩnh
vực nhận dạng mục tiêu rađa ở trong và ngoài nớc, luận án đã trình bày tóm
lợc, có hệ thống các vấn đề cần phải giải quyết khi giải bài toán nhận dạng mục
tiêu bay và tính đặc thù riêng khi giải quyết bài toán này trong các ĐRĐCGPK.
2 - Luận án đã trình bày các phơng pháp xác định các ĐTTX từ các mục
tiêu bay, trong đó chủ yếu tập trung vào phơng pháp các thành phần đơn giản
và đa ra phơng trình tán xạ tổng quát từ các mục tiêu bay, hệ cơ sở dữ liệu để
tính toán các ĐTTX của các thành phần đơn giản cùng qui trình tính toán, đánh
giá tín hiệu phản xạ toàn phần từ phơng trình tán xạ tổng quát.
3 - Luận án đã trình bày về hiện tợng điều chế quay xảy ra trên các hệ
thống quay (hệ cánh quạt, hệ động cơ) của các mục tiêu bay với các dạng tín
hiệu thăm dò khác nhau, các phơng pháp mô phỏng hiện tợng điều chế quay